（地质工程专业论文）粉喷桩在乐温高速公路软基中的应用研究.pdf

论文题目：粉喷桩在乐温高速公路软基中的应用研究 专业：地质工程 硕士生：杨曼( 签名) 必堕 指导教师：王英( 签名) 应 摘要 软土在我国分布广泛，它抗剪强度低变形大，如果处理不当，地基会产生局部或整 体剪切破坏。乐温高速公路部分路段穿越软土地区，为了保证上部结构安全正常使用， 必须对软土路段进行处理。目前处理软土路基的方法有很多种，粉喷桩是其中一种，该 法对于工期紧、软土性质较差的地基有着较理想的处理效果。本文以粉喷桩处理乐温高 速公路软基为工程背景，对软土路堤边坡的稳定性和软土加固措施进行分析，并通过数 值模拟及软土路堤施工过程的监测对粉喷桩加固软土地基的效果进行评价，获得以下几 点认识： ( 1 ) 利用软土路堤的极限填土高度理论对天然软土路堤的填土极限高度进行计算， 同时采用岩土分析软件g e o s l o p e 分析天然软土路堤边坡的稳定性，通过这两种方法得出 的结果表明必须对该研究区软土地基进行加固； ( 2 ) 采用工程类比法和试桩试验确定了粉喷桩的设计参数，并对软基加固后的沉降 量和安全系数进行计算，结果表明软基加固后满足工程要求； ( 3 ) 利用有限元对粉喷桩复合地基沉降及孔隙水压力进行了数值模拟，并分析了影 响粉喷桩的复合地基沉降的因素； ( 4 ) 在施工过程中，对软土路堤的沉降和稳定性进行动态监测，分析软土地基沉降、 侧向位移等的变化规律，提出控制填土速率的标准。通过路堤施工的观测结果表明，粉 喷桩在乐温高速公路的应用是成功的。 关键词：软土；粉喷桩复合地基：极限高度：数值模拟；施工监测 研究类型：应用研究 s u h j e c t ：r e s e a r c ho nt h ed r yj e tm i x i n gm e t h o da p p l i e di nl e w e n h i g h w a ys o f ts o i lf o u n d a t i o n s p e c i a l t y ：g e o l o g ye n g i n e e r i n g n a m e ：y a n g m a n i n s t r u c t o r ：w a n gy i n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) 砻鸳丝! d i s t r i b u t e dw i d e l yi no u rc o u n t r y , s o f ts o i lh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o ws h e a r i n g s t r e n g t h 1 a r g ed e f o r m a t i o n i fs o f ts o i lw a st r e a t e di nm i s t a k ew a y , f o u n d a t i o nw o u l dc o m e i n t ob e i n gl o c a ls h e a rf a i l u r eo rg e n e r a l s h e a rf a i l u r e i nl e - w e nh i g h w a ye n g i n e e r i n g ，t h e p a r t i a lr o a ds e c t i o n sc r o s s s o f ts o i l f o re n s u r i n gt h es a f e t yo f s u p e r s t r u c t u r e ，i ti si m p o r t a n tt o t r e a ts o f ts o i lr o a d b e d t h et e c h n i q u eo ft h ed r yj e tm i x i n gm e t h o d ( d j m ) i so n eo ft r e a t i n g t e c h n o l o g i e so fs o f ts o i lr o a d b e dp r e s e n t l y t h ed j m h a st h ei d e a lr e i n f o r c e m e n te f f e c tt ot h e b a dc h a r a c t e ro fs o f ts o i l i nat i m e l i m i t e dp r o j e c t t h eb a c k g r o u n do ft h i sp a p e ri st h eu s i n g o ft h ed j mi nl e w e nh i g h w a ys o f tb a s e t h es o f ts o i ls l o p eo fe m b a n k m e n ts t a b i l i t ya n ds o f t s o i lr e i n f o r c e m e n tm e a s u r ea r ea n a l y z e d t h er e i n f o r c e m e n te f f e c to fd j mi s a p p r a i s e d t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dm o n i t o ro nc o n s t r u c t i o np r o c e s so fs o f ts o i le m b a n k m e n t f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e d ( 1 ) u s i n gt h et h e o r yo ff i l l i n ge m e r g e n c ya l t i t u d eo fs o f t s o i le m b a n k m e n t ，f i l l i n g e m e r g e n c ya l t i t u d e o fn a t u r a ls o f t s o i li sc a l c u l a t e d ；t h es t a b i l i t yo fn a t u r a ls o f ts o i l e m b a n k m e n ts l o p ei s a n a l y z e d b yu s i n gt h es o f t w a r eg e o s l o p e t h er e s u l t so ft w o a p p r o a c h e si n d i c a t et h a ts o f ts o i lf o u n d a t i o nn e e d sf o r t h er e i n f o r c e m e n t ( 2 ) t h ed e s i g np a r a m e t e r so ft h ed j ma r ei d e n t i f i e db ye n g i n e e r i n ga n a l o g i s ma n dt h e t e s tp i l e ，a n dt h es e t t l e m e n tq u a n t i t ya n ds a f e t yc o e f f i c i e n to fr e i n f o r c e m e n tf o u n d a t i o na r e c a l c u l a t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep r o j e c tr e q u e s ti ss a t i s f i e d ； ( 3 ) t h es e t t l e m e n tq u a n t i t ya n dp o r ew a t e rp r e s s u r eo ft h ed j mc o m p l e xf o u n d a t i o na r e s i m u l a t e db yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n dt h ei m p a c tf a c t o r so fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n s e t t l e m e n ta r ea n a l y z e d ； ( 4 ) i nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s ，t h ee m b a n k m e n ts t a b i l i t ya n ds e t t l e m e n to fs o f ts o i lh a v e b e e nm o n i t o r e dd y n a m i c a l l y , a n dt h es e t t l e m e n ta n dl a t e r a l d i s p l a c e m e n to fs o f t s o i l f o u n d a t i o na n de t c h a v eb e e na n a l y z e d a n dt h ec o n t r o ls t a n d a r do ff i l ls p e e dh a sb e e n p r o p o s e d t h eo b s e r v a t i o nr e s u l t sh a v ei n d i c a t e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no ft h ed j mi nt h e l e w e nh i g h w a yi ss u c c e s s f u l k e yw o r d s ：s o f ts o i ld r yj e tm i x i n gm e t h o dc o m p o s i t ef o u n d a t i o ne m e r g e n c ya l t i t u d e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n c o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n g t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 妻料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：杨受 日期：矽衫- 印形 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：物眨指导教师签名 毛 ，彬g 年月彳日 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景与意义 我国幅员辽阔，从沿海到内陆，由山区到平原，分布着各种各样的地基土，这些地 基土中，不少为软弱土和不良土。其中，软弱地基是在工程实践中遇到最多并且需要进 行人工处理的不良地基。 软土是第四纪后期形成的海相、泻湖相、三角洲相、溺谷相和湖沼相的粘性土沉积 物或河流冲积物，属于近代沉积物，其中最为软弱的是淤泥和淤泥质土。软土的特点是 含水量高、抗剪强度低、压缩性大、灵敏度高；在荷载的作用下，地基承载力低，容易 发生稳定事故，地基沉降变形大，不均匀沉降也大，而且沉降稳定历时较长。软土广泛 分布在我国东南沿海和内陆，例如：天津、上海、杭州、福州、广州等沿海地区以及昆 明、贵阳、武汉等内陆地区。在软土地区修建高速公路，沉降和稳定是技术上的两大难 题，关系着工程的安全、施工进度、工程质量等至关重要的问题。随着高速公路在软土 地基上的大规模兴建，工程要求在深厚软基上填筑高填方路堤，且工程对工后沉降的严 格要求，要求增加预压时间而使得填筑时间的相对缩短，直接造成工期紧迫，对软土地 基的沉降和稳定性问题提出更高要求。 当软土路基受路堤荷载作用时，主要发生由土的固结而引起的变形，以及由于软基 土受剪而引起的地基变形。当在软土地基上填筑路堤时，其底部会发生侧向变形而开裂。 地基内的剪应力和变形随着路堤填筑高度增加而越来越大，当路堤填高达到一定程度 时，会引起地基失稳破坏。软土加固的目的是改善软土的特性，提高其抗剪强度，减小 沉降和不均匀沉降，使路堤不致发生破坏或过大变形。 鉴于此，本课题以正在建设中的乐化至温家圳高速公路( 以下简称乐温高速公路) 为 工程背景，根据该公路通过软土地段的工程地质特征，采用了粉喷桩对软土地基进行加 固处理，同时对软土地基上的路基施工进行动态监测，确保路基施工的安全，且根据监 测结果确定填土速率，预测软土地基的工后沉降。该论文的研究对软土地基高等级公路 勘察、设计和建设，具有一定的借鉴意义。 1 2 国内外研究现状【1 4 l 1 2 1 稳定性计算理论 根据许多实测资料证明，在较均匀的软土地基中，失稳的堤坝多以沿圆弧形滑面移 动。因此，目前多用圆弧滑动法为代表的极限平衡法来验算其稳定性。圆弧法于1 9 1 6 西安科技大学硕士学位论文 年最先由瑞典人p e r t t s o n 提出，由f e l l e n i u s 和t a y l o r l s l 等人不断改进，逐渐完善成为现 在通称的所谓简单条分法或瑞典圆弧法，它是基于平面应变假定，视滑面为一个圆筒面， 分析时通常将滑体分成许多竖条，以条为基础进行力的分析，土条之间的力大小相等， 其方向平行于滑面，以整个滑面的稳定力矩与滑动力矩之比作为安全系数。2 0 世纪4 0 年代以后，许多学者继续从事这方面的研究，使圆弧法进一步得到发展，取得了很多研 究成果。在这些成果中，应当首推b i s h o p 的研究成果，b i s h o p 法不仅考虑了土条间的 不平衡力，而且重新定义了土坡稳定安全系数风，根据b i s h o p 的建议： 只：2( 1 1 ) r 功一分别为滑面上的抗剪强度和实际的剪应力。 此式给安全系数赋予明确的物理意义，它给稳定分析( 包括圆弧形滑动和非圆弧形 滑动) 奠定了理论基础。 此后，随着土力学学科的不断发展，国外不少学者对其进行了广泛的研究，提出了 很多修正方法，成果大致有两个方面：其一是着重探索最危险滑弧位置的规律，制作数 表和曲线，以减少计算工作量：其二是对基本假定作些修改和补充，提出新的计算方法， 使之更符合实际情况。张天宝根据b b c k i b c k 推导的极限稳定边坡理论，提出“等 k 边坡”概念；孙君实等根据潘家铮的极小值与极大值原理建立了边坡稳定分析“极大中 极小”模糊极值理论等等。各种方法都是为了减少分析误差，提高计算精度，但不可避 免这些方法仍然是一种近似解答法。实践证明，b i s h o p 的极限平衡简化法完全具有实用 的精度，与瑞典圆弧法分析的稳定安全系数，在很大的范围内是一致的。 随着近代计算技术的发展，用有限元法来分析土坡的应力和应变，以及用有限元法 结合圆弧法进行稳定验算也日益多起来了。0 c z i e n k i e w i z o 和h u m p h e s o 分别采用相适 应的流动法则和不相适应的流动法则进行土堤的有限元分析，并且考虑了时间效应，他 们假定土的内摩擦角妒为常值，然后逐步减小粘聚力c 值，以求各结点的应力和位移， 这样可以得到一个路堤破坏时所需的最低凝聚力c 值，再用p 和c 进行圆弧分析，发 现两者得到的结果非常接近。高有潮通过有限元法对路堤砂井地基的稳定和变形分析， 得出各单元的有效应力、孔隙水压力以及应力水平，从而判断地基是否出现塑性区及其 范围，同时还根据得出的竖向总应力，按传统的分层总和法计算固结沉降，计算结果与 实测资料比较接近。这些研究为用有限元法进行土坡稳定分析提供了有力的佐证，也为 土坡的稳定分析开辟了新的前景。 1 2 2 软土强度增长规律的研究 软土土体的固结效应会对工程产生重要的影响。在软基深层加固时，软土结构受到 扰动并产生超静孔隙水压力，使软土抗剪强度下降。深层加固施工结束后，软土的强度 1 绪论 将随间歇时间的增长而提高，这是因为施工引起的超静孔隙水压力逐渐消散而有效应力 逐步恢复。目前工程中因旌工不当引起的失稳事故不少，对强度随固结增长重视不足是 主要原因。 软土强度增长规律的研究我国始于6 0 年代初，以曾国熙和沈珠江为代表的研究团 体先后提出了有效应力法和有效固结应力法。有效应力法以三轴固结排水试验为基础结 合应力圆理论推导给出，具体公式为： r r ：辈坐掣略 ( 1 2 ) 。 l + s i n 口7 “ 有效固结应力法的基本思想是考虑压缩引起的强度增长，而忽略剪缩引起的强度增 长。相应地，在强度增长公式中考虑压缩过程中孔隙压力而不计剪切引起的孑l 隙压力。 它的起源是对软粘土剪缩性的深刻认识。该法认为软土的强度决定于破坏以前潜在破坏 面上有效应力增加，即 a r s = t a l l 眈 ( 1 3 ) 孔德金和苗中海通过室内小试样等向固结强度增长规律与现场不等向固结强度增 长规律存在一定的差别，提出了较为合理的软粘土抗剪强度增长预测公式，即： r ，= a a 吒t a nc n 。 ( 1 4 ) 其中口是小于1 的系数。 对这一问题，国外几乎与我国同时代给出类似的研究成果。他们的研究主要是围绕 着施工期边坡稳定展开的，不是单一研究这一问题，因而研究思路及其表达形式更具有 多样性。t e r z a g h i & p e c k l 9 6 7 年提出了如下不排水强度增长公式： = s i n “n ) ( 1 5 ) 7 ( 1 一s i n ) ”。 c a s a g r a n d e 推行其“q r s ”法时，计算施工期边坡稳定是按下式考虑不排水强度增长 公式： e = 盯：t a n ( 1 6 ) 该方法被美国规范采纳。 1 2 3 复合地基处理技术 复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然 地基中设置加筋材料，加固区是由天然地基土体和增强体两部分组成的人工地基。不同 的复合地基处理技术适用于各种不良土层，如软土、膨胀土、液化砂土、冻土等。随着 我国经济的快速发展，对各种不良土层的处理技术得到了较快的发展，特别是沿海经济 高速发展地区。随着交通量高速增长，高速公路的修建变得更为重要，在沿海地区的高 速公路修建中遇到的软土问题成了工程中不可避免的难题，而复合地基处理方法是高速 西安科技大学硕士学位论文 公路软基处理中最为常用的处理方法。在近十年高速公路的快速发展中，复合地基处理 技术处于一个不断完善、不断改进的研究过程中。 目前高速公路软土地基处理的主要方法有：排水固结法、强夯法、振冲密实法、爆 破挤密法、土桩、灰土桩法、石灰桩法、深层搅拌法、振冲置换法、沉管碎石桩法、强 夯置换法、e p s 超轻质料填土法、加筋土法等等。常用处理方法如图1 1 所示。 排水固结( 堆载预压法) 强夯法 其他方法 水泥土桩 碎石桩 低强度桩 加筋土 图1 1 公路软土地基处理方法分类 各种软基处理方法有着各自的特点及适用条件，经过大量的工程实践表明，对于工 期较紧的工程，利用水泥土搅拌桩复合地基处理软土取得良好的效果，但处理费用相对 较高；对于一些工期不紧的工程建设中，竖向排水体是软土地基处理常用的方法，因为 它的处理费用相对要比水泥土搅拌桩要低得多。对于现在的工程一般均是工期很紧，特 别是高速公路的建设，因此水泥土搅拌桩( 特别是粉喷桩) 成为高速公路软土地基处理中 使用最普遍的方法。 1 2 4 粉喷桩加固软土地基的研究 水泥土搅拌桩根据施工工法的不同，可以把它分为水泥浆搅拌桩( 国内俗称深层搅 拌桩) 和粉体喷射搅拌桩( 即粉喷桩) 。前者是水泥浆和地基土搅拌，后者是用水泥粉和 地基土搅拌。由于在我国的软基处理中，对含水量较高的软土地基，主要使用粉喷桩进 行加固。因此，本文主要分析粉喷桩在乐温高速公路软土地基加固中的应用。 粉喷桩是“粉体喷射搅拌桩”的简称，具体地说，就是以水泥、石灰等材料作为固化 剂，通过专用的粉体喷射搅拌施工机械，用压缩空气将粉体加固材料喷射入地基土中， 再凭借钻头叶片的旋转，使粉体加固材料与原位软土充分搅拌，形成具有整体性、一定 强度的柱状加固水泥土，从而提高地基强度。该方法是由瑞典的捷尔德鲍斯( k i e l dp a u s ) 于1 9 6 7 年首次提出，1 9 7 1 年进行了第一次现场试验，制成一根用生石灰和软土拌制成 的搅拌桩。1 9 7 4 年开始用于工程实践，成桩直径可达5 0 0 m m ，最大加固深度为1 0 1 5 m 。 1 9 6 7 年日本也开始研制石灰搅拌施工机械，1 9 7 4 年成功应用石灰粉体加固软土地基工 4 广，o厂l 良 基 改 地 质 合 土 复 rli，：、11l 理 处基地 1 绪论 程，加固深度为1 0 3 0 m 。 我国于2 0 世纪8 0 年代初引入此项技术。1 9 8 3 年初，铁道部第四勘测设计院开始研 制出了我国第一台液压步履式深层搅拌喷粉桩机。1 9 8 4 年7 月在广东省云浮硫铁矿铁路 专用线上应用石灰搅拌桩加固单孔4 5 m 盖板箱涵的软土地基获得成功。后来相继在武 昌和连云港用于下水道沟槽挡土墙和铁路涵洞等软基加固，均获得良好效果。此后，粉 喷桩技术率先在我国沿海地区及长江中、下游地区得到应用，目前该方法己广泛应用于 铁路、公路、市政工程、港口码头、工业与民用建筑等行业的软土地基加固中，取得了 良好的社会效益和经济效益。粉喷桩的研究主要在4 个方面：粉喷桩加固软土地基 理论研究；粉喷桩复合地基的数值模拟；粉喷桩复合地基的沉降计算；粉喷 桩复合地基承载力研究。 1 2 5 沉降与稳定性观测 软土地基的沉降和稳定性与旋工时的加荷速率有密切的关系，若加载速率过大会引 起沉降过大或边坡失稳现象。加荷过程中，一方面地基土的强度因固结而提高，另一方 面剪应力在增大，为保证地基的稳定性，必须做好稳定控制。稳定控制一方面是合理确 定加载计划，保证加载计划与地基土的强度增长相匹配。由于计算理论存在诸多假设， 且计算参数的精度问题，理论计算的结果与工程实际情况并不符合。所以另一方面要做 好观测工作，通过观测数据来评价工程的稳定性并指导施工，这是稳定控制最主要的工 作。 软土路基监测工作包括：变形监测、应力观测和其它观测。监测项目和目的如表1 1 所列。 沉降与稳定观测项目包括：承载力观测( 载荷试验) 、孔隙水压力观测、土压力观 测、沉降观测和侧向位移观测。目前，国内外对软土路基监测的研究比较少，且监测仪 器设备比较昂贵。一般来说，软土路堤的旌工监测( 沉降与稳定观测) 有以下几方面的 作用：可以保证路堤施工中的安全与稳定；能正确预测工后沉降，使工后沉降控 制在设计的允许范围内；可以解决工程设计与施工中的疑难问题以及新技术、新材 料、新工艺在引进、推广中需要解决的问题。 西安科技大学硕士学位论文 表1 1 路堤监测项目和目的 观测项目仪标名称观测目的 地地表沉降沉降板地表以下士体沉降总量。 表 测定路堤侧向地面水平位移量并兼测地面 位 地面水平位移水平位移桩沉降或隆起量，用于稳定监测，以确保路堤施 移 工的安全和稳定。 变深层沉降标地基某一层以下沉降量，按需要设置 土体竖向位移 形 土 分层沉降标地基不同层位分层沉降量，按需要设置 体 观测地基各层位主体测向位移量，用于稳定 位 监测和了解主体各层侧向变位以及附加应力 土体水平位移 测斜仪 移 增加过程中的变位发展情况。用作掌握分层位 移量，推定土体剪切破坏的位置，必要时采用。 观测地基孔隙水压力变化，分析地基土固结 地基孔隙水压力孔隙水压力计 情况。 应 力承载力载荷试验仪 一般用于地基或桩的承载力测定。粉喷桩地 基应作此监测，其它地基必要时采用。 土压力土压力盒 测定测点位置的土压力及压力分布情况。 地下水位地下水位观测计 监测地基处理后的地下水位的变化情况，校 其验孔隙水压力计读数。 他 监测单个竖向排水井排水量，了解地基排水 出水量单孔出水量计 情况。 1 3 研究内容 ( 1 ) 对乐温高速公路软土的分布特征进行了解，通过室内试验确定软土的力学性质 的相关指标。 ( 2 ) 对乐温高速公路软土地基的稳定性进行分析，根据稳定性分析的结果和软土的 分布特征，确定软土地段加固措施。 ( 3 ) 通过工程类比法和试桩试验确定粉喷桩的桩长、桩间距等设计参数，并通过数 值模拟分析影响粉喷桩复合地基沉降的因素。 ( 4 ) 在路堤施工过程中对软土地基进行沉降和稳定性监测，以确保路堤施工中的安 全，并检验粉喷桩的加固效果。 6 1 绪论 1 4 主要工作量 本文的研究成果是江西省交通厅的科技项目乐温高速公路软土地基加固处理的监 控预测技术应用研究的一部分，该课题由江西省交通厅乐温高速公路建设项目办和江 西交通科学研究院共同承担的。作者从2 0 0 4 年初参与该课题，在该课题的实施过程中 做了以下的工作： ( 1 ) 参与部分软土的物理力学性质试验以及数据整理； ( 2 ) 独立完成软土路堤极限填土高度的计算以及路堤边坡的稳定性分析： ( 3 ) 独立完成粉喷桩复合地基的数值模拟以及沉降影响因素分析： ( 4 ) 对部分粉喷桩试桩的数据进行分析； ( 5 ) 参与软基路堤观测方案的制定，参与约2 个月的乐温软基路基的现场观测，对 部分观测数据进行了整理、分析和总结。 西安科技大学硕士学位论文 2 乐温高速公路沿线工程地质特征【5 1 1 6 】 国道主干线南昌绕城公路乐化至温家圳高速公路起于昌北机场高速公路与昌九高 速公路交汇处，途经新建县乐化镇、樵舍镇；南昌县南新乡、蒋巷镇；南昌高新区昌东 镇、麻丘镇；南昌县幽兰镇、塔城乡、 武阳镇；进贤县架桥镇、泉岭乡和温家 圳，终于京福高速公路与沪瑞高速公路 的交汇处，见图2 1 。乐温高速公路全长 7 1 6 4 5 k m ，是江西省第一条全封闭、全 立交、双向六车道的沥青混凝土路面高 速公路。全线的主线按双向六车道高速 公路标准设计，设计服务年限1 5 年，计 算行车速度l o o k m h ，路基宽度为 3 3 5 m ，桥梁与路基同宽，桥梁设计荷载 为汽车超2 0 级，挂车一1 2 0 ，设计洪水 频率特大桥为1 3 0 0 ，大、中、小桥、涵 洞、路基为1 1 0 0 。 2 1 区域地质 2 1 1 地形地貌 区内主要发育有三大地貌类型，即西部的岗地间冲洪积盆地、中部的低丘岗阜地以 及东部的赣抚冲洪积平原，路线总的地势为中间高两边低。 岗地间冲洪积盆地地形主要发育在路线的起点乐化镇境内。地形较平坦，地面高程 在1 9 - 2 5 m 之间，主要为水田种植区，区内季节性积水，水系较发育，分布有三条较大 的水渠，同时有少量的鱼塘等。 低丘岗阜地形主要发育在乐化至赣江西支以西的地区。岗地低矮平缓，地形波状起 伏，岗问洼地地形较平坦，起伏不大，多被开垦为水田耕地，自然坡度一般小于1 0 0 ， 其相对高差约3 l o m ，地面标高一般在2 3 3 3 m 之间。岗地上一般开垦为旱地，植被较 发育，地表覆盖层以红色网纹土为主。 赣抚冲洪积平原主要发育在赣江西支以东的地区。地形平坦开阔，起伏较小，地面 高程在1 5 1 8 m 之间。区内季节性积水，为水稻主要种植区，水系十分发达，发育有赣 江西支、赣江中支、赣江南支、瑶湖以及抚河老河道等几个大的水系，区内水渠、鱼塘、 2 乐温高速公路沿线_ r - f f z 地质特征 湖泊众多。 2 1 2 地层岩性 根据沿线地质调绘、工程地质钻探揭露及区域地质资料调查分析，沿线发育的地层 结构和岩性特征复杂，主要发育有：前震旦系板溪群( p i b 。) 变质岩系、白垩系下统石溪组 ( k i s ) 沉积岩系、第四系中更新统( q 2 ) 冲积和残积土、第四系上更新统( q 3 ) 以及第四系全 新统( q 4 ) 冲积土等。各地层的组成与分布特点如下： ( 1 ) 前震旦系板溪群( p t b 。) ：该套地层主要分布在赣江西支以西的地区。以紫红色、 灰绿色、灰黄色千枚岩、千枚状粉砂岩、花岗片麻岩、千枚状板岩等为主，同时局部发 育有花岗岩体，岩石风化强烈，风化层厚度较大，岩性较硬。 ( 2 ) 白垩系下统石溪组( k l s ) ：该套地层在路线区域内广泛分布，是工程区内的一套 重要地层。主要由紫红色、棕红色的砂岩、含砾砂岩、粉砂岩等组成，中间夹有灰绿色、 灰黄色及紫红的泥岩、泥质粉砂岩等，为典型的红色碎屑沉积岩。 ( 3 ) 第四系中更新统( q 2 ) ：第四系中更新统地层主要分布在低丘岗阜地形的表层， 其成因类型主要有冲积型和残积型，其岩相和厚度的变化较大，主要为黄色、红黄色等。 冲积层( q 2 “) ：主要分布在乐化一带的岗地间冲洪积盆地和低丘岗地的边缘接触 地带，范围较小。岩性一般上中部为黄色或红黄色网纹状土，中下部为红土夹石英卵砾 石，分选性差，上下岩性及砾石含量、粒度变化均为均匀过度类型，厚度一般在5 。1 0 m 左右。 残积层( q 2 “) ：广泛分布在低丘岗阜地形的地表，为红黄色、棕红色网纹土，具 有杂乱而细长的蠕虫状结构，网纹细而密集，土中有铁锰质结核，含有一些碎石、角砾 等，其粒径、成分较杂。该类地层主要由其下伏的基岩风化残积而成，厚度变化较大， 一般在5 l5 m 左右。 ( 4 ) 第四系上更新统( q 3 ) ：该套地层主要分布在赣江南支以南至老抚河之间。其主 要成因类型为冲积型( q 3 “) ，具有明显的二元结构，其上部为灰白色至浅黄色或黄红色的 低液限的粉土和粘土，含有少量的卵砾石及铁锰质结核，厚度较大，且变化不大，一般 在1 0 1 5 m 左右：下部为砂卵砾石层夹少量的粘性土，粒径般在0 5 5 c m 左右，随着深 度的增加，粒径增大，厚度在1 0 2 0 m 左右。 ( 5 ) 第四系全新统( q 4 ) ：该套地层主要分布在赣江西支至赣江南支之间。其成因类 型主要为冲积型( q 一) ，具有较明显的二元结构，其上部为黄褐色和灰褐色的亚粘土、亚 砂土等，结构疏松，厚度一般为i 一5 m 左右；下部为砂砾石层，黄色、淡黄色，松散至 中密，砾石含量较少，厚度在1 0 2 0 m 左右。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 1 - 3 地质构造 路线位于扬子准地台的江南台隆上，包括九岭隆断束、鄱阳凹陷和丰城一乐平凹陷 断束等次一级的构造单元。其中九岭隆断束位于赣江西支以西，区内褶皱基底广泛出露， 沉积盖层极不发育，仅有少许白垩系陆相沉积分布。鄱阳凹陷位于赣江西支以东，赣江 南支以北，燕山构造旋徊期间，由于强烈的断块运动，开始逐步断陷下沉，形成了晚白 垩世地层。丰城一乐平凹陷断束位于赣江南支以南的广大地区，多为第四系覆盖层，基 岩出露较少，仅有少许石炭系及白垩系地层出露，基底褶皱强烈，断裂较为发育。由于 受区域性构造影响沿赣江、抚河等发育有多条隐伏性断裂。其中欧阳村一乐化和新建一 樵舍等两条活动性断裂对区内的稳定性影响较大。 ( 1 ) 欧阳村一乐化断裂：该断裂呈北东向，区内延伸约8 0 0 0 m ，与路线近直交，沿 断裂带断续出露部分喜马拉雅期的辉长岩、灰绿岩岩脉。由于风化剥蚀作用，断裂结构 面不清楚，但从岩石裂隙推断可能为扭性断层。 ( 2 ) 新建一樵舍断裂：该断裂呈北东走向，倾向东南，倾角约6 5 0 ，被其切割的地 层为前震旦系板溪群及白垩系地层。受其影响，板溪群岩层被强烈挤压，褶皱发育。沿 此断裂断续存在一条宽约2 0 m 的破碎带。 区内的地质构造复杂，断裂构造发育，由于赣抚平原中的覆盖层厚度大，岩性主要 以白垩系陆相碎屑沉积层为主，岩层厚度大，且发育较稳定，同时该区内以填方路堤为 主，因此断裂构造对该路段的工程建设影响不大。受区域地质构造的影响，低丘岗阜地 形区内的基岩较破碎，风化层厚度变大，不利于路堑边坡的稳定性，对挖深较大的边坡 需要加强防护和适当放缓边坡。而活动断裂的存在，破坏了工程地质结构的稳定性，对 该路段内的路基和桥梁的稳定性不利。 2 1 4 新构造运动及地震 通过对沿线的地质调查，该路线段范围内主要发育有岗地、冲洪积平原等地貌类型。 岗地低矮平缓，以风化剥蚀为主，覆盖层主要为残积物，基岩面随地形呈同步起伏，无 剧烈的变化地带。第四系冲洪积平原地形平坦开阔，河流阶地界限明显，覆盖层厚度大， 具有较为明显的二元结构，其下伏基岩面较平坦。这说明该区内新构造运动是在先前构 造运动的基础上表现为大面积缓慢的升降运动，差异性运动不明显。而赣江在水平方向 不断迁移以及古河道的存在，说明区内的地壳升降运动相对稳定。 根据1 9 9 0 年中国地震动峰值加速度区划图( 江西部分) ，本工程建设区内的地 震动峰值加速度为o ，0 5 9 ，即地震基本烈度为度，因此对沿线区内的主要构造物建议 按度进行抗震设防。 2 乐温高速公路沿线工程地质特征 2 1 5 水文地质条件 路线主要位于赣抚冲洪积平原地区，水系十分发达，以赣江西支、中支、南支、瑶 湖及抚河老河道等大的水系为主干，区内发育的大小水渠、水沟、水塘、湖泊为分支， 构成整个区域内的水系网。赣江、抚河河面较宽，水流较大，河水位随季节性变化较大， 汛期河面变宽，水流变急，河水位涨幅较大；而旱季河面变窄，水流较小，河水位回落。 且整个路线区域内的地表水及地下水受赣江、抚河及其支流的影响，随季节性的变化而 变化。 根据对沿线的水文地质调查，路线区域内低丘岗阜地形中为贫水区，水位埋深一般 为3 - 5 m ：赣抚冲积平原为富水区，水位埋深一般为0 5 l m 。地下水类型主要由第四系 松散岩类孔隙水和基岩裂隙水组成。 ( 1 ) 第四系松散岩类孑l 隙水：该类地下水以孔隙水的形式赋存于赣抚冲洪积平原和 岗地间冲洪积盆地的砂、卵砾石层以及低丘岗阜地形中的残坡积层中。由于砂、卵砾石 层厚，区内地表水丰富，因此该类地下水丰富，且埋深浅。 ( 2 ) 基岩裂隙水：主要赋存于前震旦系和白垩系基岩层中，由于区内受构造影响， 风化层厚度大，基岩风化节理裂隙发育，孔隙度较大，由于裂隙中充填物较少，连通性 好，因此该类地下水较发育，埋深大。 根据对沿线已有建筑物及沿线水质调查分析，区内地下水水质较好，为附近居民的 主要饮用水，对混凝土不具侵蚀作用。 2 2 公路自然区划 根据1 9 8 7 年版公路自然区划标准( j t j 0 0 3 8 6 ) 的划分，本路段区域划分为5 类， 即江南丘陵过湿区。 2 3 软土的分布 根据对沿线的地质调查，区内的不良地质因素主要为浅埋型软土和鱼塘、湖泊中的 淤泥、淤泥质土等。软土分布于赣江西支至赣江南支之间，呈片状、块状和透镜状分布。 厚度各处不一，一般厚约2 7 m 左右。其表层被厚约1 4 m 左右的粉质粘土所覆盖，下 伏中、细砂层或呈硬可塑状的粘性土层。软土呈灰色，湿至饱和，软塑，具有异味，其天 然含水量在3 2 6 3 之间，液限指数在o 9 8 - 2 1 3 之间，饱和度在9 0 以上，现场原位 测试小于3 击。该类软土的分布范围大，厚度较大，一般隐伏于表层硬壳层之下，且其 工程地质性质差，对路基的危害性大。工程区内的鱼塘、湖泊众多，塘底一般有一厚约 1 - 2 m 左右的淤泥、淤泥质土等。 西安科技大学硕士学位论文 3 软土路堤稳定- j 生分析 3 1 软土的工程特性 根据勘察资料可知，乐温高速公路的软土地段主要分布在a 7 标的 k 2 2 + 9 6 0 - k 2 4 + 0 1 3 段和a 5 标的k 1 5 + 5 0 0 k 1 9 + 5 5 0 段。根据上述软土成因的分析可知， 乐温高速公路的软土类型为河漫滩沉积，这就造成该段软土成分不均一、厚度变化大， 呈带状透镜体分布。现对软土段的地层情况的进行简略的叙述： ( 1 ) 耕植土：除沟塘外，场地内均有分布，为灰褐色，成分为粉质粘土、粉土，松 软状，厚0 4 m 左右。 ( 2 ) 粉质粘土：上层为灰褐、褐、黄褐色，可塑状；中层为灰黄色、黄褐色，软塑 状；下层为黄、浅褐色、青灰色，可塑至硬塑状态，厚0 5 2 m 。 ( 3 ) 淤泥质粉质粘土及淤泥：为灰、深灰、灰黑色，湿至饱和，流塑至软塑，有异 味厚度不均匀，一般厚度为2 - 6 m ，局部达到7 m ，其隐伏于地表硬壳层之下2 , - - 4 m 处， 呈片状，块状和透镜状分布。 ( 4 ) 粉土：零星分布于k 1 5 + 5 0 0 - k 1 6 + 8 5 0 、k 1 9 + 7 0 0 k 1 9 + 8 1 1 、b k l + 1 0 0 2 7 0 段区 内，大都为表层覆盖层，局部为埋藏层，层位较稳定，层厚大约为l 2 m ，局部( k 1 5 + 5 2 0 ) 层厚为4 7 m 。 ( 5 ) 细砂及淤泥质细砂：为黄褐、褐、浅黄、灰、浅灰色松散状态细砂。 ( 6 ) 中砂、粗砂、砾砂及圆砾：中砂、粗砂层仅局部薄层分布，以砾砂、圆砾层为 主，颗粒不均匀，分选性差，稍含小卵石，多呈稍密状，主要分布于细砂层之下，部分 地段粉质粘土、淤泥质软土直接覆盖于本层之上。 乐温高速公路软土的主要物理力学性质指标见表3 1 。 表3 1 软土物理性质指标统计表 3 软土路基稳定性分析 从表3 1 可以看出乐温高速公路软土的主要特点如下： ( 1 ) 高含水量和高孑l 隙性 软土的天然含水量为3 2 1 6 1 3 ，平均值4 8 2 ，液限2 9 8 5 3 9 ，平均值 3 5 4 ，天然含水量与液限成正比。软土都是饱和土，饱和度在9 4 1 1 0 0 ，平均饱和 度为9 9 3 ；软土的孔隙比0 8 1 4 5 ，平均值为1 2 5 ，比较大，属于淤泥质土。 软土高含水量的基本特点，决定软土具有高压缩性和低强度等不良工程性质。 ( 2 ) 渗透性弱 根据渗透性试验得知，水平渗透系数商为2 1 1 0 - 66 3 1 0 - 6 c m s 之间，垂直渗透 系数j o 为8 1 1 0 9 8 1 0 _ 7 c m s 之间，较岛小，主要是因为大部分淤泥和淤泥质 土中夹有薄层粉、细砂或粉土。软土固结缓慢，在加荷初期，出现较高的孔隙水压力， 对地基强度有显著影响。 ( 3 ) 压缩性高 压缩系数一般为o 3 8 1 0 2 m p a ，平均值为o ，7 m p a - 1 ，随土的含水量和液限的增大 而增高。软土除有高压缩性外，还具有固结速度缓慢的特征。固结是指当饱和土体受到 外力的作用时，最初外力全部由孔隙水承受( 称为孔隙水压力) ，随着水分的排出，外力 逐渐传递到土骨架上( 称为有效应力) 的过程：当孔隙水压力消失后，压缩仍然在缓慢继 续进行，这种由土骨架蠕变而引起的压缩过程为次固结。 压缩与固结对软土的工程性质有重要影响，与建筑物地基的稳定和沉降问题密切相 关。土体压缩导致建筑物下沉，随着固结过程土体内部孔隙水压力和有效应力的不断改 变，土的强度也相应变化，直接影响到上层构筑物的安全使用。 ( 4 ) 抗剪强度低 本次采用快剪试验，粘聚力为1 1 3 7 k p a ，平均值为2 5 k p a ；内摩擦角3 1 3 。，平均 值为7 0 ，这说明软土的抗剪强度很低。 综上所述，乐温高速公路沿线的软土具有抗剪强度低、压缩性高和渗透性弱等特点， 软土地基的承载力约为6 0 9 0 k p a ，不能满足设计要求，不作任何处理一般是不能承受路 堤填料的荷载。因此，必须对其软土路段的地基进行加固处理，方能在其上修建高速公 路，否则地基会出现局部剪切甚至整体滑动的危险以及不均匀沉降等问题。 3 1 2 软土路堤极限高度计算 3 2 1 路堤的极限高度 路堤的极限高度是指在天然软土地基上基底不作任何特殊的加固处理，用快速施工 方法( 即不控制填土速度) 修筑路堤所能填筑的最大高度，其本质是对极限承载力的计 算。当路堤的设计高度超过极限高度时，路堤必须采取处理措施，以保证路堤的安全填 西安科技大学硕士学位论文 筑和正常使用。 极限高度的大小，取决于地基的特征及填料的性质等，高速公路、一级、二级公路 应结合工程，这是解决路堤极限高度的最可靠方法。一般软土地区路堤的极限高度，通 常在3 5 m 左右。 由于极限填土高度仅为设计施工时的参考数据，通常都近似的假设内摩擦角为零， 可按下列几种方法进行计算【4 l 【7 】：( 1 ) 均质薄层软土地基的路堤极限高度：( 2 ) 均质厚层 软土地基的路堤极限高度；( 3 ) 非均质软土地基的路堤极限高度；( 4 ) 有硬壳层的软土 地基的路堤极限高度。根据乐温高速公路软土的分布情况( 软土厚度一般在1 0 m 以内) ， 采用均质薄层软土地基的路堤极限高度的方法对极限填土高度进行计算： r h c = 虮- q( 3 1 ) y 式中：h 极限高度，m ； c 。软土的快剪粘聚力，k p m y 填土的容重，k n m 3 ； 虬稳定因数，与边坡角卢和深度因数( ：皇掣，其中h 为填筑 高度，d 为软土厚度) 有关，可由图3 1 查得。 i l l p0 ，f - l o 、；言! - 。一 ，；5 1 ；l 一 i 一 己一 9 鼍 雨 |量j 嗣